空間再生燃料電池系統(tǒng)分級(jí)能源管理方法

劉健 萬成安 孟曉脈 任亮 郭帥

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

隨著我國載人航天任務(wù)的發(fā)展，大型載人空間站、載人登月、月球/火星基地等要求能源系統(tǒng)具有大輸出功率、高質(zhì)量比能量和體積比能量，以及長(zhǎng)持續(xù)工作時(shí)間，以滿足航天器運(yùn)行的能源需求。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，再生燃料電池在工作過程中的主要產(chǎn)物包括水、氫氣和氧氣，其可與推進(jìn)、生命保障等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)綜合利用，達(dá)到能源系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，因此，再生燃料電池對(duì)于載人航天任務(wù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和極大應(yīng)用價(jià)值。例如，NASA在“阿波羅”登月任務(wù)和“雙子星座”任務(wù)中都曾采用燃料電池作為主要儲(chǔ)能裝置[1]。

再生燃料電池通過燃料電池電化學(xué)反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能和水，再將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存。由于不受卡諾循環(huán)限制，再生燃料電池相較于鋰離子蓄電池具有更高的效率、比功率和比能量(再生燃料電池比能量可達(dá)300～700 W·h/kg，而鋰離子蓄電池一般為200～300 W·h/kg)[2-3]；同時(shí)，具有無自放電、無過充過放、無記憶效應(yīng)、放電深度可達(dá)100%等特點(diǎn)，是更適合大功率長(zhǎng)壽命航天器的空間能源系統(tǒng)。因此，開展空間再生燃料電池系統(tǒng)能源管理方法的研究工作，對(duì)于航天器能源系統(tǒng)管理能力的提升具有非常重要的意義。

航天器傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的管理方法，國內(nèi)外已有諸多研究，且已實(shí)現(xiàn)智能化、自主化能源管理[4-8]。再生燃料電池系統(tǒng)作為新型能源系統(tǒng)，比傳統(tǒng)能源系統(tǒng)復(fù)雜度更高，且由于涉及水、氣、熱、電多種能源的綜合管理[9-10]，管理難度也更大，因此目前對(duì)于再生燃料電池系統(tǒng)能源管理方法的研究較少。本文以空間再生燃料電池系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種分級(jí)能源管理方法，并在3 kW再生燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，根據(jù)200 h長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況、60 ℃溫度點(diǎn)運(yùn)行工況及加減載運(yùn)行工況，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，證明了分級(jí)能源管理方法在空間再生燃料電池系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

1 分級(jí)能源管理方法

1.1 需求分析

空間再生燃料電池系統(tǒng)由燃料電池、電解池、輔助單元和管理單元構(gòu)成。其中：燃料電池是系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，并生成水；電解池是系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元，通過電解燃料電池反應(yīng)的產(chǎn)物水，生成燃料電池工作所需的氫氣和氧氣；輔助單元是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件保障，為系統(tǒng)提供氣路、水路、熱路部件；管理單元包括水管理單元、氣管理單元、熱管理單元和電管理單元，用于系統(tǒng)運(yùn)行控制和能源管理。空間再生燃料電池系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。再生燃料電池系統(tǒng)的水、氣、熱、電能源管理，通常采用如圖2所示的傳統(tǒng)能源管理方法。

圖1 空間再生燃料電池系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of space regenerative fuel cell system

圖2 傳統(tǒng)能源管理方法Fig.2 Traditional energy management method

圖2中，再生燃料電池系統(tǒng)由系統(tǒng)能源管理單元完成水、氣、熱、電所有執(zhí)行部件的控制，同時(shí)，系統(tǒng)能源管理單元還需要根據(jù)當(dāng)前采集的部件信息判別系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；若診斷系統(tǒng)異常或故障，則在采取應(yīng)急措施的同時(shí)還要上傳頂層星地接口模擬設(shè)備，并不定時(shí)接收星地接口模擬設(shè)備下發(fā)的控制指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制或管理。這種管理方法完全依靠系統(tǒng)能源管理單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和能源管理，在系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)和控制參數(shù)較多時(shí)，經(jīng)常由于控制響應(yīng)不及時(shí)而出現(xiàn)電解電壓明顯上升、系統(tǒng)效率顯著降低等問題；并且，存在局部故障處理不及時(shí)而損傷整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。為此，亟需優(yōu)化能源管理方法，保證再生燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1.2 分級(jí)能源管理方法

空間再生燃料電池系統(tǒng)為多能源綜合管理系統(tǒng)，水、氣、熱、電各執(zhí)行部件的響應(yīng)速度和控制方式差異較大，為了解決傳統(tǒng)能源管理方法的集中控制方式存在響應(yīng)不及時(shí)、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，本文設(shè)計(jì)了分級(jí)能源管理方法，如圖3所示。

圖3 分級(jí)能源管理方法Fig.3 Hierarchical energy management method

由圖3可以看出，與傳統(tǒng)能源管理方法相比，分級(jí)能源管理方法在系統(tǒng)能源管理單元與各路執(zhí)行部件間增加了一級(jí)管理子單元，由各管理子單元完成各自執(zhí)行部件的控制和信息采集，并將采集的部件信息上傳到系統(tǒng)能源管理單元。為保證各執(zhí)行部件信息的實(shí)時(shí)采集、上傳和瞬變工況的實(shí)時(shí)捕獲，各管理子單元通常需要以較高的頻率工作。系統(tǒng)能源管理單元接收各管理子單元上傳的執(zhí)行部件信息，通過判別與分析，得到目前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行情況，并上傳到星地接口模擬設(shè)備；若診斷系統(tǒng)異常或故障，則及時(shí)將響應(yīng)指令下傳到各管理子單元，由各管理子單元完成各路執(zhí)行部件控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常或故障的實(shí)時(shí)響應(yīng)。星地接口模擬設(shè)備主要用于模擬上行遙控指令(能源管理)發(fā)送和能源管理單元的遙測(cè)參數(shù)接收。

通過上述分析可以看出，在空間再生燃料電池系統(tǒng)分級(jí)能源管理方法中，各管理子單元的引入極大減輕了系統(tǒng)能源管理單元的控制負(fù)擔(dān)；系統(tǒng)能源管理單元能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)狀態(tài)判別、診斷及異常、故障的響應(yīng)，提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或故障時(shí)，能夠以最短響應(yīng)時(shí)間采取應(yīng)對(duì)措施，及時(shí)消除系統(tǒng)故障或最大程度減小局部故障對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 3 kW再生燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

按圖3所示空間再生燃料電池系統(tǒng)分級(jí)能源管理方法，針對(duì)3 kW再生燃料電池系統(tǒng)控制需求，設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例如圖4所示。

注：DSP為數(shù)字信號(hào)處理器。

由圖4可以看出，3 kW再生燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分為3個(gè)層級(jí)。其中：第一層級(jí)與圖3的各管理子單元相對(duì)應(yīng)，由FPGA實(shí)現(xiàn)，以60 MHz的工作頻率完成各執(zhí)行部件控制和信息采集；第二層級(jí)與圖3的系統(tǒng)能源管理單元相對(duì)應(yīng)，由DSP實(shí)現(xiàn)，以1～12 MHz的工作頻率完成對(duì)FPGA上傳信息的分析、處理、上傳及對(duì)系統(tǒng)需求的響應(yīng)；第三層級(jí)與圖3的星地接口模擬設(shè)備相對(duì)應(yīng)，為3 kW再生燃料電池系統(tǒng)上位機(jī)界面，以10～100 Hz的工作頻率完成DSP上傳信息的顯示及人為控制指令的下傳。

在圖4所示應(yīng)用實(shí)例中，DSP與FPGA通過數(shù)據(jù)、地址內(nèi)總線相連，便于多FPGA連接及遙測(cè)信息的實(shí)時(shí)交互；DSP與上位機(jī)界面通過1553B外總線相連，用于模擬航天器真實(shí)應(yīng)用工況。3 kW再生燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例中各層級(jí)間連接關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 各層級(jí)連接關(guān)系Fig.5 Connection diagram of each level

2.2 能源管理策略

3 kW再生燃料電池系統(tǒng)能源管理策略包括水管理策略、氣管理策略、熱管理策略和電管理策略，具體各管理策略的作用和實(shí)現(xiàn)方式詳述如下。

水管理策略主要用于電解池供水管理，穩(wěn)定系統(tǒng)電解性能。該策略采用查表法實(shí)現(xiàn)，即將電解池的供水量-產(chǎn)氣量曲線離散化，存儲(chǔ)到系統(tǒng)能源管理單元中；系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)燃料電池氣用量，實(shí)時(shí)查找對(duì)應(yīng)的供水量，進(jìn)而控制水路執(zhí)行部件，保證電解池水供應(yīng)。

氣管理策略主要用于燃料電池氣流量、氣壓力和氣壓差等管理，是燃料電池穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重要保障。該策略采用經(jīng)典的比例-積分-微分(PID)控制方法實(shí)現(xiàn)，即將燃料電池需求流量、壓力和壓差等設(shè)定為參考值，將實(shí)時(shí)遙測(cè)值與參考值的偏差作為輸入量，計(jì)算得到控制量，進(jìn)而作用于氣路執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)氣流量、氣壓力和氣壓差等的控制。

熱管理策略主要用于燃料電池和電解池工作溫度的調(diào)節(jié)，保證燃料電池和電解池在最適溫度點(diǎn)工作，即最高效率點(diǎn)。該策略采用開關(guān)和比例相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，即：當(dāng)測(cè)溫值低于控溫閾值下限時(shí)，開啟加熱；當(dāng)測(cè)溫值高于控溫閾值上限時(shí)，關(guān)閉加熱；當(dāng)測(cè)溫值處于控溫閾值范圍內(nèi)時(shí)，采用比例控制，通過當(dāng)前測(cè)溫值、控溫閾值上下限和控溫周期計(jì)算得出加熱比例，將此加熱比例轉(zhuǎn)換成控制指令作用于熱路執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度控制。

電管理策略主要用于調(diào)節(jié)能量分配，保持輸出母線穩(wěn)定。該策略采用狀態(tài)機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)，即將系統(tǒng)全過程工況分為幾個(gè)不同狀態(tài)，并確定各狀態(tài)的觸發(fā)條件，在實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換。根據(jù)3 kW再生燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行工況，將系統(tǒng)分成4個(gè)狀態(tài)：①關(guān)機(jī)狀態(tài)；②等待狀態(tài)；③充電狀態(tài)；④放電狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)的4種狀態(tài)，梳理得到系統(tǒng)事件(如表1所示)，進(jìn)而得到電管理狀態(tài)遷移情況(如圖6所示)。

表1 系統(tǒng)事件Table 1 System events

圖6 電管理狀態(tài)遷移Fig.6 Electrical management state transfer

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證空間再生燃料電池系統(tǒng)分級(jí)能源管理方法的有效可行，以圖4所示實(shí)例、圖5所示連接關(guān)系和上述能源管理策略，研制3 kW再生燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)(如圖7所示)，對(duì)分級(jí)能源管理方法應(yīng)用下電解池穩(wěn)定特性、電堆輸出特性及系統(tǒng)變載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 3 kW再生燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 3kW regenerative fuel cell system prototype

首先，對(duì)3 kW電解池運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過上位機(jī)界面獲取3 kW電解池運(yùn)行曲線，如圖8所示。由圖8可以看出：在200 h測(cè)試過程中，電解性能穩(wěn)定，電解電壓未見明顯上升。然后，在燃料電池60 ℃溫度點(diǎn)對(duì)燃料電池輸出特性進(jìn)行測(cè)試，通過上位機(jī)界面獲取3 kW燃料電池輸出特性曲線，如圖9所示。由圖9可以看出：在整個(gè)測(cè)試過程中，3 kW燃料電池工作正常、穩(wěn)定，額定功率為3 kW，峰值功率為6 kW，在額定功率點(diǎn)處效率為66%。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行半載階躍測(cè)試，加載試驗(yàn)為1500 W階躍到3000 W，減載試驗(yàn)為3000 W階躍到1500 W，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10的測(cè)試結(jié)果可以看出：負(fù)載由1500 W階躍到3000 W時(shí)，母線電壓最大波動(dòng)量為5 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為200 μs；負(fù)載由3000 W階躍到1500 W時(shí)，母線電壓最大波動(dòng)量為3 V，調(diào)節(jié)時(shí)間約為50 μs。

圖8 3 kW電解池穩(wěn)定性測(cè)試曲線Fig.8 Stability test curve of 3kW electrolyzer

圖9 3 kW燃料電池堆輸出特性曲線Fig.9 Output characteristic curves of 3kW fuel cell stack

圖10 半載階躍測(cè)試結(jié)果Fig.10 Half-load step test results

上述試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：分級(jí)能源管理方法應(yīng)用下的3 kW再生燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定，分級(jí)能源管理方法在空間再生燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用可行，且具有控制靈活、管理高效的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文提出一種空間再生燃料電池系統(tǒng)分級(jí)能源管理方法，并利用3 kW再生燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)分級(jí)能源管理方法應(yīng)用效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

(1)與傳統(tǒng)能源管理方法相比，分級(jí)能源管理方法采用增加管理子單元的方式實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行部件的區(qū)域自治，將系統(tǒng)能源管理單元從底層執(zhí)行部件的管理中解脫出來，使其能專注于系統(tǒng)需求響應(yīng)及異常處理，提高系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

(2)依據(jù)3 kW再生燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例、各層級(jí)連接關(guān)系及系統(tǒng)能源管理策略，構(gòu)建3 kW再生燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)。其電解池穩(wěn)定特性、電堆輸出特性及系統(tǒng)變載調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：分級(jí)能源管理方法能夠靈活、高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，保證再生燃料電池系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作，具備空間應(yīng)用的可行性。

為更全面地測(cè)試分級(jí)能源管理方法應(yīng)用下空間再生燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為燃料電池能源系統(tǒng)空間應(yīng)用提供更充分的依據(jù)，后續(xù)將在自主故障診斷及恢復(fù)、自主壽命預(yù)測(cè)等多個(gè)方向開展研究工作。